科尔沁沙地典型固沙人工林地土壤水分时空特征及其对环境因子的响应

土壤水分时空动态特征对于干旱地区人工林的可持续经营与管理起着至关重要的作用。以位于科尔沁沙地南缘的樟子松和柠条固沙人工林为对象,于2018年11月-2019年11月连续观测了林地0-200 cm土壤剖面的含水量、温度及微气象因子,系统分析了土壤水分的时空变化特征及其对环境因子的响应。研究期内,两种林地土壤水分的季节变化可分为冻结期、补充期、消耗期和稳定期;依据土壤剖面的水分特征可分为易变层、活跃层和稳定层,但两种林地的分层深度有一定差异。在生长季内(5-10月),土壤含水量对大气降雨的响应随着土层深度的增加而减弱;降雨对樟子松人工林0-20 cm层土壤水分的影响极显著(P<0.01),对柠条人工林0-10 cm层的影响极显著(P<0.01)、20-60 cm层显著(P<0.05)。在土壤冻融周期内(2018年11月-2019年4月),两种林地的土壤均表现为"单向冻结"和"双向融化"的特点;土壤温度是影响冻融期内土壤含水量的关键因素,两者呈极显著的指数函数关系;樟子松和柠条人工林土壤的最大冻结深度分别为170 cm和190 cm,前者10 cm土层解冻时间要比后者晚11 d,可能与乔木树冠的遮阴作用有关。潜在蒸散与柠条林0-60 cm层、樟子松林0-20 cm和200 cm层的土壤水分呈极显著相关(P<0.01),而与樟子松林60 cm和160 cm层呈显著相关(P<0.05),这与树木蒸腾和土壤蒸发等综合作用有关。研究表明,由于两种人工林的树种组成、树冠大小、郁闭程度和根系分布等结构特征不同会导致林地土壤水分时空特征的异质性及其对环境因素响应的差异。

毛乌素沙地林、田、草、沙及其水分利用状况与近自然生态恢复对策

毛乌素沙地是我国四大沙地之一,横亘在陕西省、内蒙古自治区和宁夏回族自治区之间。近几十年的持续治理使其生态环境恶化得到了有效地遇制,当地人民群众的生活也得到了极大改善。然而,气候变化和人为活动的双重影响会引发区域水资源的持续下降。研究表明:由于大规模不合理的植被建设(如高密度林分)和灌溉农田过度开垦等,该区域的陆地总储存水正以每年平均16.6±5.0mm/a的速度消耗。

毛乌素沙地4种土地类型土壤水分深层渗漏特征

土壤水分是沙区治理与植被建设的关键因素,了解沙区土壤水分动态变化特征对于荒漠化防治以及沙区治理将有着重要意义。本研究在毛乌素沙地腹地的乌审旗选择北沙柳人工灌木林、农田、油蒿天然灌丛草地以及裸沙地4种典型土地类型,对0~200 cm土层进行土壤水分观测和深层渗漏(200 cm)数值模拟。结果表明:(1)生长季内(5-10月),裸沙地累计深层渗漏量为139.77 mm,占同期降雨量(263.40 mm)的53.06%;农田累计深层渗漏量11.92 mm,占同期降雨量(263.40 mm)和灌溉量(292.40 mm)的4.53%;北沙柳人工灌木林和油蒿天然灌丛草地则均无深层渗漏发生。(2)裸沙地月累计深层渗漏量与降雨量的大小波动基本呈现出一致的变化规律。(3)降雨量、植被以及土壤质地均会对土壤水分的深层渗漏量产生影响。(4)相对较高的土壤含水量会提升土壤水分的下渗速率,进而导致深层渗漏滞后时间缩短。

毛乌素沙地与浑善达克沙地水分深层渗漏特征对比

深层渗漏是沙地地表水和地下水连通性的重要指标。为了深入分析不同沙地深层渗漏的特征,采用渗漏仪实时监测流动沙丘降雨对200 cm深层的补给水量。结果表明:浑善达克沙地2017—2019年降雨量为229.9±45.6 mm,年渗漏量8.2±7.4 mm、年渗漏量占同期降雨量3.1%±2.3%;毛乌素沙地2013—2015年降雨量328.1±61.1 mm,年渗漏量64.1±58.3 mm、年渗漏量占同期降雨量17.0%±13.7%。浑善达克沙地流动沙丘的渗漏主要为持续而少量的水分补给,其中<0.25 mm的渗漏补给日数最多;毛乌素沙地主要来自于>0.25 mm的渗漏补给,降雨量大小及其分布格局是影响沙地深层渗漏的主要因素。当降雨量较小时深层渗漏是以持续、长时、量小的补给方式为主;降雨量较大或者连续的小降雨事件不但会明显增加渗漏的补给量,而且会减小水分渗漏滞后性,使其波动与降雨变化更为一致。

基于标准化降水蒸散指数(SPEI)的毛乌素沙地1981—2020年干旱特征研究

大气干旱是影响半干旱沙区植被建设、生态恢复及社会经济可持续发展的重要因素。基于1981—2020年毛乌素沙地10个气象站点的逐月气象资料,计算了月、季和年尺度的标准化降水蒸散指数(SPEI),分析了该沙区近40年降水和气温的变化趋势、干旱事件及其频率的时空特征。结果表明:(1)毛乌素沙地近40年降水量和气温均呈现显著的上升趋势(P<0.05);秋季和冬季降水量呈现显著的上升趋势(P<0.05),四季气温均呈现显著的上升趋势(P<0.05)。(2)毛乌素沙地总体上呈现出不显著的湿润化趋势(P>0.05),但秋季呈显著的湿润化趋势(P<0.05);中、西部地区呈现出湿润化趋势,而东部地区则呈现干旱化趋势。(3)近40年毛乌素沙地的月尺度下干旱总频率达32.71%,各等级发生频率为轻旱>中旱>重旱>特旱,季节发生频次为冬季>夏季、秋季>春季;轻旱主要发生在毛乌素沙地的北部、中部、东南和西南部,中旱在东部、北部和西部边缘,重旱在东部、中部以及南部地区,特旱在西北部、南部和东南部区域。

低覆盖度治沙理论的核心水文原理概述

土壤水分的渗漏过程是陆地生态水文的3个最核心过程之一,降水向土壤深层渗漏或者补给地下水,关系到干旱沙区水平衡维持和植被稳定持续发育。多年的治沙实践和研究结果表明:(1)天然分布稳定的沙生植被,覆盖度一般低于30%,降水均能够渗漏到土壤深层或者补给地下水;(2)人工营造的固沙林,当林分的覆盖度大于40%后,林下土壤含水率逐步降低,降水不能够渗漏到土壤深层或者补给地下水,林木出现衰败或者死亡;(3)低覆盖度固沙林设计出了带间的土壤渗漏补给带,确保了降水能够渗漏到深层或者补给地下水,固沙林及其带间植被能够稳定持续发育;(4)在极端干旱区,基本上没有降水能够渗漏到2 m以下土层,灌溉才能确保林分的稳定持续;在干旱区,深层渗漏水量占年降雨量的1%-13%,半干旱地区的深层渗漏水量占年降雨量的11%-23%,半湿润干旱区的深层渗漏水量占年降雨量的15%-45%,能够确保沙区的水平衡和雨养植被的稳定持续发育。这也是低覆盖度治沙理论最基本的生态水文原理,为中国防沙治沙事业开拓了新领域、新方向和新思路,对推动中国今后的防沙治沙工作有着重要意义。

乌兰布和沙漠梭梭(Haloxylon ammodendron)夜间液流特征及其环境驱动机制

树木夜间液流(Qn)指夜晚通过根、茎、叶等器官的液流量,对于研究树体内水分的运移、存储以及叶片蒸腾等具有重要的生理生态学意义。本研究于2020年6-10月,应用Granier热扩散探针法测定了乌兰布和沙漠梭梭(Haloxylon ammodendron)人工灌丛枝条的液流,同步监测了大气温度(T)、相对湿度(RH)、降水量(P)、风速(WS)和土壤水分等环境因子,分析了梭梭夜间液流特征及其对环境因子的响应。结果表明:(1)梭梭灌丛枝条液流密度呈现出明显的昼夜变化规律;白天梭梭液流密度(SFD)呈现出“单峰型”或“双峰型”曲线,值为0.03-0.18 g·cm^(-2)·min^(-1);夜间SFD的变幅较小,为0.04-0.08 g·cm^(-2)·min^(-1)。(2)在6、7、8、9、10月,梭梭灌丛Qn分别为0.57±0.38、0.51±0.37、0.50±0.34、0.55±0.32、0.37±0.18 kg·d^(-1),分别占日液流通量的23.29%、24.07%、26.76%、31.26%、30.27%,说明Qn是估计梭梭灌丛日蒸腾耗水量的重要组成部分。(3)Qn与T、WS和饱和水汽压差(VPD)正相关(P<0.05),而与RH负相关(P<0.05),其中VPD与Qn的相关性最大。(4)在日尺度上,Qn与相对土壤含水量(REW)正相关(P<0.05),说明Qn随着土壤水分有效性的提高而增大。